摘要： Since 2007, researchers in SFU's Pain Studies Lab have been experimenting with utilizing immersive Virtual Environment (VE)s to motivate Chronic Pain (CP) patients to keep physically active, in part by doing physical exercises since maintaining physical activity is a well-known problem these patients face. For example, for arthritis patients, specific forms of Range of Motion (RoM) exercises are important to maintain joint health, but many patients have difficulty adhering to such exercises. While prior studies using the lab's most recent VE, LumaPath, show promise, many patients reported "feeling lost" in the VE without real-time help. Because this VE was developed to be used regularly, patients must be able to use it without real-time help. Therefore, the aim of this study was to investigate some of the factors of how patients learn to navigate in a VE such as LumaPath. Despite positive patient outcomes in terms of lower pain rating, greater range of motion, and some aerobic benefit, a problem that continually plagues the use of this virtual environment is that patients have a difficult time learning how to navigate - that is, figuring out where to go and what to do. Initially, an in-game tutorial was designed, but patients found it too confusing, largely because it was in a grey, featureless space; that is, it was without context, and the addition of a social agent did not help either. Therefore, my research seeks to address this problem by introducing interface augmentation to LumaPath to compare the advantages and disadvantages of visual versus sonic approaches. Ideally, the longer-term aim is to develop design guidelines that address some of the issues of navigation in VEs for the specific demographic of chronic pain patients.

关键词： 虚拟现实   青少年教育   科普  

摘要： 虚拟现实技术自20世纪90年代初期开始兴起，伴随着信息化时代的发展，虚拟现实技术与其他技术逐渐融合并走向成熟，在各个领域和行业的应用也越来越广泛。但在青少年科普活动中却发现不少青少年对于虚拟现实还仅停留在可以利用VR眼镜玩游戏的阶段，虚拟现实技术在教育应用方面存在易忽视教师主导作用、与传统教学难兼容、影响学习目标达成效率等方面的欠缺。主要结合科普活动中发现的问题探究此技术在教育领域中的重要作用。相信在国家大力研发与推动下，未来教育与虚拟现实技术的结合会更加高质高效。

关键词： 工业机器人   信息物理融合   Process Simulate   Unity3D   虚拟现实技术  

摘要： 随着智能制造时代的到来,工业机器人在工业生产中越发重要,越来越多的工业生产对于工业机器人及其相关人才的需求量急速攀升。然而,由于目前工业机器人部件昂贵,无法满足工业生产中对于机器人的旺盛需求,严重影响工业生产产品的进度和质量。本课题深入研究了工业机器人信息物理融合关键技术,综合了工业机器人建模技术、虚拟仿真与数字孪生技术,在不同平台中开发出虚拟工业机器人应用系统,主要工作如下:首先,本文选取ABB公司IRB120机器人作为研究对象,针对生产培训的相关需求,设计出视觉,仓储,码垛,打磨和装配五个单元工艺流程。利用Solidsworks,3ds Maxs等三维建模工具,对选取的工业机器人六角桌工作台按照等比例进行仿真建模,完成虚拟工业机器人整体模型搭建,为后续的信息物理融合奠定模型基础。其次,在Process Simulate中对工业机器人六角桌工作台五个工艺流程进行动作仿真,通过博途软件和OPC UA技术实现初步信息物理融合,即实体工业机器人与虚拟工业机器人的实时同步运动。采集实体工业机器人PLC的数据信息,将数据信息导入XML描述文件中,方便后期实时提取,验证了实体工业机器人与虚拟工业机器人通讯连接的可操作性。最后,在Unity3D中编写了XML描述文件读取程序,通过Socket技术,将实体工业机器人数据导入Unity3D和MR眼镜中,利用Unity3D的插件以及设置*** Rotation的方式,实现虚拟工业机器人六轴根据数据进行实时同步运动,最终实现Unity3D,MR眼镜和实体工业机器人PLC的信息物理融合。本文工业机器人信息物理融合关键技术的研究,主要实现了虚拟工业机器的建模搭建,对实体工业机器人五大工业流程进行仿真模拟。在Process Simulate和Unity3D平台中的信息物理融合,即实体工业机器人与虚拟工业机器人的实时同步运动,两者动作具有实时性,一致性。并将其导入MR眼镜中,借助虚拟现实技术给予操作者沉浸式体验。该技术应用于生产教学和人才培养中,具有良好的应用价值和广阔的发展前景。

关键词： 虚拟现实技术   虚拟学习环境   VR生物教学资源  

摘要： 随着大数据和5G时代的到来,虚拟现实技术的发展步入了一个新的台阶,取得了巨大的进步。虚拟现实技术是从20世纪发展的一项新型实用技术,已经被广泛应用到计算机、医疗服务、旅游业、房地产、服装业、广告业和教育等众多行业当中,成为了一个全新的科学技术领域,推动了社会的发展。同时,虚拟现实技术与教育教学的融合也是当前重点研究的趋势,虚拟现实技术与高中生物教学结合,响应了国家教育信息化的号召,符合学生认知发展的特点。运用虚拟现实技术,有助于解决高中生物教学中的诸多问题,丰富了虚拟现实技术在生物学科中的应用。虚拟现实技术有沉浸式和交互性等特点,通过构建沉浸式的学习环境,使得学生可以不受外界的干扰,集中注意力,更加沉浸在学习环境中,从而可以提升学生的学习效率。本研究在心流理论、探究式学习理论、建构主义学习理论和人本主义学习理论等相关理论的指导下,根据高中生物学科的特点和学生认知的发展规律,基于虚拟现实技术设计和开发了高中生物教学资源,并到后期应用。通过Cinema4D和Unity 3D游戏引擎等开发工具设计了沉浸式的学习环境,以高二生物必修《减数分裂》为例,分析了虚拟现实技术与高中生物学科结合的必要性和可行性,通过对教师与学生的需求分析,探索虚拟学习环境在中小学应用的独特意义。通过调查问卷和访谈等研究方法,对收集的数据进行分析,并对虚拟学习环境对于学生学习的有效性进行研究,从而更好的解决教学中存在的问题。本文第一章绪论章节分别阐述了研究背景、国内外研究现状、问题的提出、研究目的及意义、研究内容、研究思路和研究方法。第二章是相关概念界定与理论基础部分,分别对虚拟现实技术、高中生物教学资源、心流理论、探究式学习理论、建构主义学习理论和人本主义学习理论进行了阐述。第三章探究了虚拟现实技术在高中生物教学中的可行性分析,通过阐述高中生物学科特点、课程目标、现状分析和虚拟现实技术在高中生物中的应用价值。后面的章节详细阐述了《减数分裂》VR生物教学资源的设计开发与应用的过程,通过SPSS和AMOS进行问卷数据分析,了解《减数分裂》VR生物教学资源的有效性,探索学生学习态度。

关键词： 虚拟现实   全景漫游   鱼眼图像拼接   最佳缝合线方法   碰撞检测  

摘要： 随着全景漫游的日益普及,全景图的拼接成为研究重点,图像拼接的效果直接影响全景漫游的真实感受。传统的图像拼接技术使用的普通相机受镜头视角范围的限制,需要拍摄多张有重叠区域的照片,拍摄难度大,图像拼接复杂,鱼眼相机因其焦距短、超广角被广泛应用。然而,鱼眼图像的畸变与全景图呈现的立体效果增加了图像拼接的难度。本文采集了五台山景点的鱼眼图像,研究了图像拼接技术,改进了最佳缝合线方法,优化了全景图拼接效果;改进了碰撞检测算法,提高了移动平台漫游系统中碰撞检测的效率和精度;研究了景点漫游系统的设计方法与实现。本文的主要研究内容与成果如下:（1）针对鱼眼图像出现的畸变,进行了图像校正,并利用球面投影与反映射平面展开图解决了从不同方位采集图像造成的拼接畸变问题。针对图像拼接过程中出现的图像拼接缝明显的问题,改进了最佳缝合线方法,改进后的拼接图像过渡平滑,拼接缝消除。（2）针对移动平台内存小,运行速度慢等问题,运用LOD技术,建立多层次细节模型,减少了系统渲染时间;提出了将OBB包围盒、LOD技术和粒子群优化方法相结合的碰撞检测算法,提高了移动平台碰撞检测的效率和精度。（3）设计并实现了五台山景点漫游系统,设计了两种模式与多种功能,保证了系统的实用性、趣味性与交互性,全方位展示五台山的历史文化,使用户有多重体验感。

关键词： 元宇宙   虚幻引擎   虚拟现实   工业设计平台  

摘要： 随着互联网技术的快速发展,元宇宙的概念被提出。在元宇宙背景下,“虚拟”与“现实”正在加速融合,“虚拟资产”的价值越来越受到重视,VR、AR、MR、游戏引擎、数字孪生等技术正快速发展融合,进而影响到各个行业,必然也包括了工业设计领域,工业设计致力于引导创新、促发商业成功及提供更好质量的生活,与技术、文化、生活方式等的发展变化息息相关。元宇宙以多元化融合的理念与方式为未来带来广阔的发展空间,这也给工业设计创造更多的发展机遇。如何利用好这些技术将虚拟资产与现实相结合是工业设计领域重要的命题。传统工业设计流程中存在很多痛点,其根本原因是虚拟与现实不一致产生的,元宇宙相关技术中游戏引擎技术与虚拟现实技术是解决虚拟与现实不—致的关键。游戏引擎与虚拟现实技术在旅游、建筑、模拟培训等方向已经获得了较为广泛的运用,而在工业设计领域主要集中在汽车设计领域,且并未建立完整的体系,在传统工业设计领域尚未被大规模运用,亟待发展。本研究在元宇宙视角下重点探讨游戏引擎与虚拟现实技术在工业设计领域的应用场景及其意义。针对现有工业设计流程和展示方式中的不足,通过虚幻引擎以及虚拟现实技术建立一个工业设计平台,通过该工业设计平台能够实现设计模型的实时拟真可视化、测试评估、互动展示功能,以此形成一个可复制的模板,成为一个具有普适性的工业设计平台,探索出新的工业设计方式以及展示方式。

关键词： 亲生物设计   高层办公建筑   健康   压力   虚拟现实技术  

摘要： 随着城市化进程的加快,城市和建筑的建设使人类与自然日益疏远。高层办公建筑是人们使用频率较高的建筑类型之一,社会的发展使工作人员面临的压力持续加大,进而影响他们的心理、生理等健康水平。亲生物设计是一种设计生活和工作场所的方法,不仅可以满足工作人员与自然联系的基本需求,还可以改善他们的健康水平,建筑师需要从亲生物设计的角度对上述问题进行思考。第一章,解读研究背景,从国家层面对于健康建筑发展的要求,并从使用者的角度介绍目前面临的健康问题,然后对办公建筑的设计趋势进行分析,得出“促进健康”是一个重要的设计趋势。明确研究对象是从健康促进角度设计的高层办公建筑。对国内外大量的相关文献进行收集、分析并且总结,从而完成国内外研究现状的分类介绍。第二章,对亲生物设计和相关理论进行了介绍,相关理论包括注意力恢复理论和减压理论。随后对亲生物设计的原则和应用效益进行了介绍,根据亲生物设计原则和布朗宁的14种亲生物设计模式对国内外共七个办公建筑的案例进行分析,总结出亲生物设计在高层办公建筑中的通用做法,为后文设计策略提供指导。第三章,对济南市的10座典型的高层办公建筑进行实地调研,发现现状存在的问题并进行分类分析。通过问卷,对工作人员的实际需求进行调查。通过对现状问题以及工作人员的需求进行交叉分析发现,工作人员对于亲生物高层办公建筑有需求,与此同时,亲生物高层办公建筑对工作人员的健康具有促进作用,所以高层办公建筑进行亲生物设计是非常必要的。第四章,应对济南气候区的高层办公建筑的亲生物设计策略部分。首先,对亲生物设计原则和高层办公建筑密切相关的部分进行结合,提出多感官体验原则、多样性互动原则和多情境呈现原则。并且从外部形体、标准层平面、室内空间三个层级提出亲近自然的建筑外部形态设计策略、与自然多样性互动的平面设计策略、创造归属感的室内空间设计策略,高层办公建筑的指导原则和设计策略形成高层办公建筑亲生物设计框架,为下文的方案设计提供指导。第五章,对济南CBD的一栋高层办公建筑进行亲生物设计,并利用虚拟现实(VR)实验对亲生物设计的有效性进行验证。从四个方面对该办公建筑进行亲生物设计,首先,运用呼应自然环境的总体布局,其次,亲近自然的建筑形体设计,再次,标准层平面是模拟自然形态的平面设计,最后,具有归属感的室内空间设计。通过VR实验,受试者对亲生物设计前后的虚拟环境进行体验,根据体验感受对高层办公建筑亲生物设计的有效性进行验证。受试者通过对高层办公建筑的亲生物设计要素进行评价,各项亲生物设计要素的重要性实现排序。第六章,对研究结论和研究局限进行总结说明,并对高层办公建筑亲生物设计进行了展望。希望本文的研究可以为未来的高层办公建筑设计提供新思路。

关键词： 麻醉类药物   子宫平滑肌细胞电生理   子宫收缩   数学模型   计算机仿真  

摘要： 产力是影响产程进展的重要因素之一。在第一产程中,产力主要为宫缩力,而第二产程中的产力主要由子宫肌、腹壁肌、膈肌的收缩力组成。产力会使产妇在分娩阶段感受到分娩痛感,使用局部麻醉药的分娩镇痛技术能够有效缓解这种分娩疼痛,但麻醉类药物也被公认为对子宫收缩力有直接抑制作用。这种抑制会导致产妇宫缩乏力,从而使产程延长,有可能危及母亲和胎儿的生命。因此在使用麻醉类药物进行分娩镇痛的同时,需要兼顾考虑其正向的镇痛效果和其负向的与浓度相关的宫缩力抑制作用。研究证实,子宫收缩力的产生是子宫平滑肌细胞电—力耦合的结果。因此,科研人员需要深入探究药物对子宫平滑肌细胞中离子通道的作用机制,以及不同浓度的药物如何通过阻滞离子运动影响细胞的收缩,从而评估麻醉类药物的安全性和实用性,且后续能够更有针对性地研发对子宫收缩力影响更小的麻醉类药物。目前由于伦理道德问题,药物研究的样本大多数是妊娠期动物细胞组织或离体的人体细胞组织。仅依靠这些样本不足以探究产程中子宫平滑肌细胞的离子、分子运动变化机制以及麻醉类药物的作用机制,而细胞电生理计算模型在一定程度上能够弥补生物实验中的缺陷。故本文采用计算机仿真的子宫平滑肌细胞电生理计算模型评估临床中常用的局部麻醉类药物—布比卡因和罗哌卡因对细胞电活动和收缩运动的影响。本文研究内容如下:(1)单离子通道阻断对细胞电生理影响的研究。本文通过对标准模型中的离子电流分别进行不同程度地阻滞,研究单一离子电流的改变对子宫平滑肌细胞动作电位、钙离子浓度和收缩力强度的影响。仿真结果表明:在产程中,阻滞I可以降低子宫平滑肌细胞的动作电位复极化频率和幅值,使细胞内钙离子的浓度减少,从而降低细胞的收缩力强度。阻滞IK(HERG))离子通道能够导致细胞的钙离子浓度升高,而I主要影响细胞动作电位的频率。因此上述3种离子电流是影响细胞生理活动的重要离子电流。(2)多离子通道阻断的麻醉类药物对于单细胞电生理的影响。本文在单细胞标准模型的基础上构建了药物模型,通过单细胞正常组模型和药物组模型,仿真和量化细胞的生理活动曲线,探究麻醉类药物对子宫平滑肌细胞电活动和收缩运动的影响机制。仿真结果表明:在产程中,布比卡因和罗哌卡因均能够影响子宫平滑肌细胞的动作电位幅度和频率以及细胞收缩力,增大药物浓度会进一步抑制收缩力的强度。以产程早期为例,在这一阶段,细胞的收缩力幅值在三种浓度的布比卡因的作用下分别降低了44.68%、59.57%和93.62%,而罗哌卡因仅使收缩力分别降低了19.15%、49.94%和89.36%,其降低程度均小于同等浓度的布比卡因组。在相同浓度下,布比卡因同时对I、I、IK(Ca))和I电流的阻滞作用大于罗哌卡因且对IK(HERG))电流阻滞作用明显。因此综合而言,布比卡因对收缩力的影响更大,更容易导致产妇子宫收缩乏力,影响分娩过程。(3)麻醉类药物对于细胞种群电生理的影响。基于单个细胞模型仿真的结果无法表征麻醉类药物对不同生物个体的作用效果,因此使用正常组模型种群和药物组模型种群探究药物对细胞种群的生理活动的影响。仿真结果表明,与单细胞模型仿真结果类似,在产程中,三种浓度的布比卡因和罗哌卡因对细胞种群的电生理活动均有不同程度地抑制。以产程早期阶段为例,低、中和高浓度的布比卡因对细胞收缩力的抑制程度分别为44.4%、69.4%、91.7%,而相同浓度罗哌卡因的抑制程度分别为22.2%、50.0%、86.1%。因为罗哌卡因对I、IK(HERG))、I和I电流的阻滞作用低于布比卡因,所以细胞收缩力受罗哌卡因的影响更小。因此,罗哌卡因在分娩镇痛方面更具优势,且更适合广泛应用于多样化的生物种群中。后续科研人员可以以上述4种离子电流作为靶点,更有针对性地研发对宫缩抑制力更小的麻醉类药物。(4)麻醉类药物风险分级评估的仿真平台设计与实现。为了方便科研人员探究其他药物对不同细胞模型的作用效果,我们开发了适用于药物预测和评估的麻醉类药物风险分级评测平台,为科研人员研发新的药物或预测药物作用效果提供辅助工具。

关键词： 虚拟现实技术   数字媒体   交互方式  

摘要： 随着我国科学技术的不断发展和完善，虚拟现实随之而来。虚拟现实是一种全新的媒介，对于虚拟环境具有交互性和及时性等诸多特点。新时代背景下，计算机技术得到了全面的发展，因此，又促进了数字媒体的出现以及应用。在数字媒体的发展过程中，创新扮演着灵魂的角色，数字媒体的发展始终离不开它，因此又促进了虚拟现实技术的运用和出现。除此之外，创新和技术之间的桥梁搭建者是交互方式，它发挥着协调和融合的作用。

关键词： 眼眶爆裂性骨折   复视   VR   Hess屏检测   红玻璃试验  

摘要： 目的:基于虚拟现实(Virtual Reality,VR)技术构建双眼复视检测系统(Virtual Reality Test,VRT),并将其与Hess屏检测和红玻璃复视检测试验对比分析,为VR技术应用于临床复视检测提供理论依据和实践基础。方法:首先构建VRT软件系统,利用Unity引擎创建VRT前端项目及模型。动态编写Unity增删改查XML文件,并检查BUG,测试完毕,确认无误之后,转成VR模式。在PC端创建项目,放置UI及添加代码,读取本地XML用户信息文件。VRT硬件系统为头戴HTC Vive头显设备,VRT依托Steam VR运行,分别于距患者双眼不同距离1米、3米和5米远的平面上出现检测视标,并在周边8个诊断眼位方向移动检测并判定复视阳性区域。最终以复视阳性角度量化复视程度。接下来收集自2021年9月-2021年12月于吉林大学第二医院眼科中心眼眶病与眼整形科就诊的眼眶爆裂性骨折(Orbital blowout fracture,BOF)患者,利用VRT复视检测系统量化评估眼眶爆裂性骨折中复视。同时对比分析VRT、Hess屏及红玻璃试验等方法对复视检测的灵敏度、稳定性与检测时间。结果:我们成功构建了VRT软件检测系统,并利用头戴HTC Vive设备形成VRT复视检测仪。前瞻性对比研究了41名眼眶爆裂性骨折复视情况,VRT、Hess屏检测和红玻璃试验的灵敏度分别为95.12%、87.80和68.29%,VRT与红玻璃试验相比,差异具有统计学意义(P<0.05);VRT、Hess屏检测和红玻璃试验的平均检测时间为2.65±0.52分钟、2.17±1.23分钟和5.34±0.25分钟;VRT对复视检测稳定性良好(ICC=1.00),优于Hess屏检测(HAR ICC=0.974;Hess评分ICC=0.960)及红玻璃试验(ICC=0.972);VRT的结果与Hess评分(r=0.681,p<0.05)呈正相关,和HAR(r=-0.742,p<0.05)呈负相关,与红玻璃试验(r=0.488,p<0.05)也有较好的相关性;双眼复视组的VRT结果与健康组的结果具有显著性差异(P<0.05),VRT系统对复视检测具有良好特异性。结论:研究证明利用VRT系统可以完成对复视定量检测。VRT综合性能优于目前临床所用的Hess屏检测和红玻璃试验复视检测方法,具有良好稳定性、高灵敏度、检测覆盖视野范围广和检测时间优越等特性,且检测结果不受头部运动影响。此外,VRT可利用虚拟环境实现对不同空间距离复视的检测评估。本研究为VR技术应用于临床复视检测提供实践和理论基础。